故事发生在遥远的26世纪,外科医生依德(克里斯托弗·瓦尔兹 Christoph Waltz 饰)在垃圾场里捡到了只剩下头部的机械少女将她带回家中,给她装上了本来为自己已故的女儿所准备的义体,并取名阿丽塔(罗莎·萨拉扎尔 Rosa Salazar 饰)。苏醒后的阿丽塔对这个五彩斑斓但却暴力而又残酷的世界产生了浓厚的兴趣,在结识了青年雨果(基恩·约翰逊 Keean Johnson 饰)后,阿丽塔开始接触名为机动球的运动,并在比赛中展现出了惊人的格斗天赋。 在废铁城居民们的头顶,漂浮着巨大的浮空城市撒冷,废铁城居民们的一切劳作和付出,都是为了给撒冷提供继续运作的燃料。在大财阀维克特(马赫沙拉·阿里 Mahershala Ali 饰)所设立的机动球比赛中,最终获得冠军的人能够获得前往撒冷生活的资格,阿丽塔决定利用自己的格斗天赋参加比赛,却被卷入了一个巨大的阴谋之中。
近未来的地球黄沙遍野,小麦、秋葵等基础农作物相继因枯萎病灭绝,人类不再像从前那样仰望星空,放纵想象力和灵感的迸发,而是每日在沙尘暴的肆虐下倒数着所剩不多的光景。在家务农的前NASA宇航员库珀(马修·麦康纳 Matthew McConaughey 饰)接连在女儿墨菲(麦肯吉·弗依 Mackenzie Foy 饰)的书房发现奇怪的重力场现象,随即得知在某个未知区域内前NASA成员仍秘密进行一个拯救人类的计划。多年以前土星附近出现神秘虫洞,NASA借机将数名宇航员派遣到遥远的星系寻找适合居住的星球。在布兰德教授(迈克尔·凯恩 Michael Caine 饰)的劝说下,库珀忍痛告别了女儿,和其他三名专家教授女儿艾米莉亚·布兰德(安妮·海瑟薇 Anne Hathaway 饰)、罗米利(大卫·吉雅西 David Gyasi 饰)、多伊尔(韦斯·本特利 Wes Bentley 饰)搭乘宇宙飞船前往目前已知的最有希望的三颗星球考察。
他们穿越遥远的星系银河,感受了一小时七年光阴的沧海桑田,窥见了未知星球和黑洞的壮伟与神秘。在浩瀚宇宙的绝望而孤独角落,总有一份超越了时空的笃定情怀将他们紧紧相连……